MBMS网络架构和关键技术研究

3GPP定义的MBMS不仅能实现低速的文本传输，还可以实现高速的多媒体广播多播业务，它是手机电视业务的技术基石。

虽然经过长期的研究和发展，MBMS在R6、R7版本的3G系统中已经得到了完整的实现，但是仍然无法满足日益增长的业务需求，尤其是用户和运营商对手机电视业务的强烈需求。随着R8规范开始制定，一方面需要进一步提高MBMS的业务性能，另一方面需要适应新的系统架构演进/长期演进(SAE/LTE)系统的发展，因此，MBMS在逻辑架构、业务模式、传输方式和信道结构等方面进行了重大改进。

MBMS提供的服务包括3种：流媒体服务；文件下载；丰富多彩的"Push"业务。

MBMS架构

在R6/R7中，MBMS功能是通过对3G网络的改进而实现的，因此MBMS架构要依附于已有的3G网络架构。主要的改进包括两方面：一方面通过增加新的功能实体广播组播业务中心(BM-SC)来提供与管理MBMS业务；另一方面是在已有的功能实体上(包括：GGSN、SGSN、BSC/RNC和UE)增加对MBMS业务的支持。如图1所示：

图1 MBM系统参考模型图

广播组播业务中心BM-SC是新增的移动网功能实体，它是内容提供者的入口，用于授权和在移动网中发起MBMS承载业务，并按照预定时间调度传送MBMS内容，它有如下5大功能:

成员关系功能：负责保存用户的订阅信息，对UE加入的MBMS业务进行授权处理，以及产生计费记录。

会话与传输功能：负责发起和终止MBMS会话，对外部内容提供方进行授权认证，并负责接收和发送MBMS业务数据。

代理与转发功能：在控制面上BM-SC是内部各个功能与网关GSN(GGSN)之间进行信令交互的代理，在用户面上是会话与传输功能向GGSN传送MBMS业务数据的桥梁。

业务声明功能：负责向UE提供MBMS业务信息，包括媒体说明(如视频类型、声音编码)和会话说明(如业务标识、地址、播放时间)。

安全功能：为MBMS业务数据提供完整性和私密性保护，向已获MBMS授权的UE提供密钥。

MBMS信道

逻辑信道

在UTRAN网络中，点对点传输是采用的逻辑信道；在点对多点中，将引入以下三个新的逻辑信道：

MBMSPointto-multipointControl Channel(MCCH):用于控制面信息，发送给UE激活了的MBMS服务。MCCH是MBMS点到多点的下行控制信道，从网络向UE传递MBMS控制信息，该信道包含了正在进行通信或者即将要进行通信的MBMS会话信息。MCCH只在UE接收MBMS业务时使用。

MBMSpoint-to-multipointTrafficChannel (MTCH)：用户面信息，发送给UE激活了的MBMS服务。是点到多点下行信道，用于网络向UE传输MBMS业务数据。对于MTCH MBMS使用了两种不同的传输时间间隔(TTD:40ms和80ms)。较长的TTD可以提供较大的时间分集，从而提高MBMS性能。MTCH只用于UE接收MBMS业务时。

MBMSpoint-to-multipointSchedulingChannel (MSCH)：控制面信息，用来传输MBMS传输时间的控制。MSCH是点到多点调度信道，用于网络空闲或连接状态下的UE之间传输一个p-t-m的下行MBMS业务传输调度信息。MSCH上的控制信息是MBMS业务特有的，负责在一个小区中发给接收MTCH的UE。

传输信道

MBMS可以使用两种模式进行业务下发：p-t-p或者p-t-m。一方面，使用p-t-m模式可以让所有定制相同MBMS业务的用户在同一个传输信道FACH(前向接入信道)上接收同一份数据。相对于p-t-p模式而言，这种模式能够很大程度地提高无线信道的使用效率。但是另一方面，使用FACH信道时的发射功率要大于专用传输信道(DCH)，当接收该MBMS业务的用户很少时，使用FACH信道会造成功率浪费。因此综合考虑发送功率的限制和无线信道的使用效率等因素，MBMS支持两种模式下发业务，其中使用FACH作为p-t-m模式下的传输信道，使用DCH作为p-t-p模式下的传输信道。

下发模式的选择，取决于接收该MBMS业务的用户数量，MBMS通过计数过程来统计接收该业务的用户数量，只有达到一定的用户数量，才会使用p-t-m模式。对于MBMS广播而言，业务的下发与用户的接收情况无关，因此不存在使用p-t-p模式的情况，完全使用p-t-m模式来下发MBMS广播业务。

为了提供p-t-m模式，MBMS定义了新的功能实体MAC-m和新的逻辑信道MTCH(多点时间信道)、MCCH(多点控制信道)和MSCH(多点调度信道)，分别用于下发MBMS的业务数据、控制信息和调度信息。这些逻辑信道只在p-t-m模式下使用，并且都被映射到传输信道FACH上。对于使用p-t-p模式的情况，仍然使用已有的DTCH(专用业务信道)和DCCH(数字控制信道)专用逻辑信道，它们都被映射到DCH上。

MBMS关键技术

技术/重计数计数

在MBMS中，UTRAN有必要知道订阅某一MBMS业务的UE数目，根据该数目，UTRAN决定采用何种无线承载方式。实际系统可采用寻呼信道或广播信道，来要求已经订阅了某一MBMS业务的UE向UTRAN发送一个同步，进而UTRAN统计出订阅该MBMS业务的UE数目。而重计数的目的是在MBMS业务的传输过程中重新统计订阅该MBMS业务的UE数目，以确认当前的无线承载方式是否为最佳。如果当前采用的不是最佳的无线承载方式，则UTRAN对该业务进行无线承载方式的切换。

UTRAN中的RNC节点触发了一次计数过程后，UE会返回一个计数响应给RNC。为了避免UE计数响应返回时导致上行随机接人信道的拥塞，RNC在计数过程中采用了基于接人概率因子的控制过程。UE根据RNC设定的接人概率因子的值以一定的概率回复RNC的计数信令，RNC根据正确回复的UE数目估算出剩余的UE数目，并进行接人概率因子的调整，并在下一次计数过程中按照调整后的接人概率因子进行计数。如果RNC统计出订阅该MBMS束计数过程。

无线承载方式切换

为了优化无线资源的利用效率，UTRAN根据小区中订阅某一MBMS业务的UE数目来决定采用p-t-p或p-t-m来承载该MBMS业务。然而基于UE的个数来决定采用何种无线承载方式并不是很合理。例如分别给5个靠近小区中心的UE建立p-t-p方式所带来的干扰可能要小于在整个网络中使用p-t-m方式多播该业务所带来的干扰。不过如果这5个UE在小区的边缘，则使用p-t-m方式会带来较小的干扰。

另一个要考虑的因素是MBMS业务的服务质量，对于使用较高带宽的MBMS业务，无线承载方式切换的门限，即订阅该业务的UE数目要小于使用较少无线资源的MBMS业务所对应的切换门限。当业务的无线承载方式发生变化时，接收该业务的UE在RLC子层和MAC子层对应的实体将进行重建。如果UE接收的是后台业务，则当该业务的无线承载方式从p-t-p切换到p-t-m时，UE在RLC子层对应的实体将从AM模式切换到UM模式，在MAC子层对应的实体从MAC-d切换到MAC-m，逻辑信道从DTCH切换到MTCH，传输信道从DPCH切换到FACH；反之亦然。

如果UE接收的是流媒体业务，则当该业务的无线承载方式从p-t-p切换到p-t-m时，UE在MAC子层对应的实体从MAC-d切换到MAC-m，逻辑信道从DTCH切换到MTCH，传输信道从DPCH切换到FACH；反之亦然。所以从MBMS工作的角度看来，如果MBMS业务总是通过p-t-m方式提供给订阅该业务的UE、而无须在不同的无线承载方式之间切换的话，系统的工作过程将明显简化。

宏分集技术

宏分集技术的功能是当UE处于小区边缘时，UE把来自不同NodeB的多径信号进行分集合并，从而改善UE处于小区边缘时的接收信号质量。具体来说，当UE通过专用物理下行信道、即p-t-p无线承载方式接收MBMS业务时，如果UE处于软切换区域，则UE将接收到来自激活集中所有小区发送的MBMS业务；当UE通过次公共控制物理信道、即p-t-m的无线承载方式接收来自主服务小区发送的MBMS业务时，如果该UE相邻的小区也通过p-t-m方式提供相同的MBMS业务，则UTRAN将在MCCH上为UE提供该邻小区的信息，使UE获得来自邻小区的MBMS业务的必要细节。

宏分集根据UE接收到的来自不同NodeB的信号之间的时延分为两种：一种是软合并，一种是选择性合并。当来自不同NodeB的信号之间时延小于RAKE接收机的合并窗口大小时，UE将接收到的信号在码片一级进行软合并，软合并的处理过程如图2所示。

图2  软合并模型

UE同时接收来自n个(一般n=3)NodeB的发送信号，并对每个NodeB的信号分别进行RAKE接收和信道解复用，然后将多路数据叠加为一路送人译码器。通过信号幅度相加和噪声能量相加的原理，软合并处理可使得接收信号的信噪比得到大幅度提高。选择性合并发生在UE的RLC子层，是在RLCPDU一级进行的合并，即UE的RLC子层从接收到的来自不同Node B的相同序号的RLC PDU中选择出正确的一个RLC PDU进行分段重组。

重传机制

在MBMS中,重传主要是用来恢复UE没有正确接收到的RLCPDU。为了最大可能地重用已有的WCDMA技术，最简单的恢复没有正确接收的RLCPDU的方法是通过单独的p-t-p方式重传这些RLCPDU。在这种情况下，MBMS业务的传输分为两个阶段。在第一个阶段中，MBMS业务通过p-t-m方式提供给订阅该业务的所有UE。每个UE保存正确接收到的RLC PDU，并且记录下未能正确接收到的RLC PDU序号。在第二个阶段中，每个UE将和Node B建立单独的p-t-p连接来请求丢失的RLC PDU。因为在第二个阶段中每个UE是独占无线资源的，所以不同UE的重传过程是非同步的。虽然这种重传机制比较简单，并且能够很好地向下兼容，但它存在两个明显的不足，即低效率和高延时。如果n个UE丢失了某一RLC PDU，则该RLC PDU至少要被重传n次，并且重传过程在PTM传输完成之后才会开始，所以RLC PDU的延时是不可预测的。因此这种重传机制是不适合实时业务的，尤其是当很多UE要求重传RLC PDU时。

对上述重传方法的一种改进是当UE发现RLCPDU丢失后立即通过特定的反馈信道通知RNC。只要有技术探讨一个UE没有正确接收到某一RLCPDU，则该RLCPDU将会通过p-t-m方式在下一个可用的时隙内被重传，直到所有的UE都正确接收到该RLC PDU。虽然在p-t-m方式的重传机制下，系统的性能将会提高，但是重传的RLC PDU对于多数UE来说是没有用的，因为他们在第一次传输中已经正确接收到该RLC PDU了。

所以在实际系统中可采用将p-t-m重传方法与RS(ReedSolomon)编码相结合的重传机制。在RNC的RLC子层，长度为L比特的连续RLCPDU按行写入n行I列的编码模块中。当一组k个RLCPDU写人编码模块后，编码模块按列进行RS编码，每列产生n-K个效验位，故RS编码的码字长为n。编码完成后，依次从编码模块中按行读出K个RIC PDU通过p-t-m方式发送到UE。发送完毕后，编码模块中还剩下n-K行I列的效验位。UE的RLC层产生一个相应的n行列的解码模块，解码模块的最后n-K行被初始化为填充比特。当UE正确接收到一个RLC PDU后，该RLC PDU将按行写人解码模块中。如果某一RLC PDU被丢失，则该RLC PDU在解码模块中对应的行将被填人填充比特。当UE不能够正确接收一组七个RLC PDU时，该UE将通过合适的反馈信道通知RNC。在这种情况下，RNC读出一行在编码模块最后n-K行中尚未发送的校验位，构成一个RIC PDU，通过p-t-m方式发送到UE。当发送了额外的校验位后，所有的UE将判断各自的解码模块中填充比特的行数是否超过n-K。如果填充比特的行数没有超过n-K，则解码模块能够按列译出K个RLC PDU。如果某个UE的解码模块中填充比特的行数超过了n-K，则该UE将请求RNC发送编码模块中下一行未被发送的效验位。一旦所有的UE都不再请求额外的校验位后，下组K个RLC PDU将按同样的方法被处理。